基于能量動態特性的船用光伏系統設計

丁君

摘要：隨著傳統能源危機和生態環境惡化，船用太陽能系統受到了越來越多的關注。為了保證船用光伏系統的可靠性與魯棒性，對系統中能量采集子系統、能量存儲子系統和能量消耗子系統的能量特性進行分析，得到能量采集率、能量消耗率和系統能量狀態概率，并通過隨機隊列分析方法得到系統設計指標。在基于能量動態特性的設計指標的基礎上，設計船用光伏系統，設計方法兼顧了系統可靠性穩定性兩方面。

關鍵詞：可再生能源；光伏船舶；系統設計；能量動態特性；

中圖分類號：S611文獻標識碼：A文章編號：1674-3520（2014）-06-00263-02

on Energy Dynamic Characteristics

Abstract: With the deterioration of ecological environment and traditional energy crisis, the ship powered by solar energy has attracted more and more attention. To ensure the reliability and the robustness of photovoltaic ship system, the energy characteristics of energy harvesting sub-system, energy storage sub-system and energy consumption sub-system were analyzed, and the energy arriving rate, energy consumption rate and system energy state probability were deduced. Then, the key system design parameters were proposed using queuing analysis methods to guide the design of photovoltaic ship system, taking into account the stability and the reliability of system.

Keywords: Renewable Energy; Photovoltaic Ship; System Design；Energy Dynamic Characteristics一、引言

在全球經濟持續發展的今天，世界物資運輸所需要的船舶數量愈來愈多，隨之而來的船舶排放廢棄物對環境的污染也日趨嚴重。這一趨勢將逐年增長，到2020年，海上污染物的排放將比目前增加75%。因此，如何節約現有能源，開發利用新能源成為了船舶行業的重要目標之一[1]。

太陽能是最具代表性的可再生能源，其具有分布廣泛，可廣泛利用的優點。隨著太陽能發電技術的日趨成熟和完善，在船舶上應用太陽能引起了船舶界的關注。太陽能的開發和利用不僅可以減緩傳統能源緊張的壓力，還能夠解決環境污染問題。

傳統的船用光伏系統設計主要采用經驗的方法[2][3]，根據日平均有效光照強度、溫度和日照時間等統計數據以及儲能電池容量和充滿所需時間，計算發電系統中的風機日輸出功率和太陽能電池板的日輸出功率。為保證系統供電的可靠性，設計發電子系統的日功率輸出大于負載系統的日用電量。采用經驗估算的風光互補供電系統設計方法會造成系統裝機容量嚴重不足或者過剩現象。傳統設計方法通常采用靜態能量分析與設計方法，忽略了系統運行中的能量動態特性，無法保證系統的可靠性。同時，在傳統設計方法中，缺少系統各組成部分可靠性、穩定性的評價指標對系統設計的指導，無法保證系統的經濟性。

鑒于此，本文通過分析船用光伏系統中各子系統的能量動態特征，得到系統運行可靠性、經濟性的設計指標。同時，供電系統的穩定性和可靠性為約束條件，對傳統光伏系統進行設計。與傳統設計方法相比，可以有效提高系統工作的穩定性，太陽能利用率等，從而保證所設計的船用光伏系統長時間可靠、經濟的工作。

二、船用光伏系統組成

船用光伏系統主要由能量采集子系統、控制子系統、能量存儲子系統和能量消耗子系統構成[4]。

（一）能量采集子系統：太陽能電池作為船用光伏系統中的能量采集部分，利用半導體材料的光電效應將輻射到其表面的光能轉變為電能。太陽能電池的輸出功率與太陽輻射強度、環境溫度和太陽能電池板面積等因素相關。

（二）能量存儲子系統：當光照充足導致太陽能電池產生的電能大于能量消耗子系統的能量需求時，電池組將過剩的電能儲存起來；相反地，當系統發電量不足或負載電量增加時，則由電池組向負載補充電能，以保證系統供電的可靠性。

（三）能量消耗子系統：船舶的推進電機是船上的主要負載，其他負載還包含有照明設備、熱水器、空調等。

（四）控制子系統：包括交、直流變換器和電壓變換器以及能量控制器。交直流與電壓變換器通常包括逆變器、整流器與斬波器等電子電力設備等。能量控制器對系統中的能量進行管理和控制，例如，根據太陽能發電與負載用電情況對儲能電池組的充、放電控制等。

三、船用光伏系統的能量動態特征與設計指標

船用光伏系統的設計問題可以看作是一個目標優化問題，通常以系統的投資成本，太陽能電池板的安裝面積，供電系統的穩定性和可靠性為約束條件，在氣象數據和船只負載用電數據的基礎上，對能量采集子系統和能量存儲子系統的容量進行優化設計。

下文首先對光伏系統中的能量采集子系統、能量消耗子系統和能量存儲子系統中的能量特征（能量采集率、能量消耗率和系統能量狀態概率）進行分析，得到船用光伏發電系統中各子系統可靠性和穩定性的評價指標，最后，在能量約束指標的基礎上對船用光伏系統進行優化設計。

（一）能量采集率

能量采集率是指能量采集子系統在單位時間內轉化的能量。太陽能電池受到太陽輻射強度和環境溫度的影響，其輸出特性具有非線性。當太陽輻射強度相同時，隨著溫度的升高，太陽能電池最大輸出功率降低；當環境溫度相同時，隨著太陽輻射強度的增加，太陽能電池最大輸出功率增加。無論在任何溫度和太陽輻射強度條件下，太陽能電池板存在一個最大功率點。顯然，工況不同，太陽能電池板輸出的最大功率也不同。

通常，太陽能電池廠商提供太陽能電池在標準測試條件下（即太陽光輻射強度參考值，環境溫度參考值）的電氣參數，如最大輸出功率對應的電壓，電流等。為了保證能量采集子系統運行在當前工況下的最佳狀態，即保持太陽能電池始終輸出最大功率，系統對太陽能電池的最大功率點進行跟蹤控制[5]。因此，太陽能電池在任意輻射強度和溫度條件下的電流電壓輸出特性能夠近似表示為

（1）

（2）

其中，和分別為不同測量時間的太陽輻射強度和溫度；補償系數，，分別為，，；為自然對數的底數。在時刻時，面積為[單位：]的太陽能電池板輸出功率，因此，在時間內，船用光伏系統的能量采集率為

（3）

（二）能量消耗率

能量消耗率是指能量消耗子系統在單位時間內消耗的能量。在能量消耗子系統中，主要負載為推進電機。假設推動電機的有效功率為，因此，所需的實際電機功率，其中表示推進系數。在船舶濕水面積一定的情況下，有效功率能夠根據船舶阻力估算相關理論公式和航速確定[6]。因此，在時間內，船用光伏系統的能量消耗率為

（4）

（三）系統能量狀態概率

由于電池組是作為船用光伏系統中的唯一儲能設備，因此，系統能量狀態能夠由儲能子系統中的能量狀態直觀反映。根據系統中的能量流動特點，利用隨機隊列模型對系統能量狀態進行分析。如圖1所示，船用光伏系統的能量流動過程能夠抽象為單服務窗混合制的能量隊列模型。該過程包括能量采集子系統將太陽能轉換為電能（能量到達），并存儲在能量存儲子系統中（能量排隊），存儲在電池組中的能量供能量消耗子系統使用（能量離開）三個部分。當電池組荷電狀態為100%時，采集的過剩電能將丟棄（能量溢出）。

圖1.能量隊列模型

已知在時間內，系統的能量采集率（能量到達率）為，系統的能量消耗率（能量離開率）為，能量存儲子系統最大容量為（即，系統能量狀態）。將系統能量流動過程離散化，利用離散的數學分析方法對該過程進行分析。本文將能量采集子系統的能量采集過程和能量消耗子系統的能量消耗過程擬合為參數為和的泊松過程，系統的能量流動過程能夠利用Markov能量狀態轉移圖描述，其中，每個節點對應系統每個能量狀態。

圖2.Markov能量狀態轉移圖

在Markov能量狀態轉移圖中，所有狀態相互連通，且狀態有限，因此存在平穩分布。

四、船用光伏系統設計方法

本文提出的設計方法綜合考慮了太陽能電池配置與電池組容量配置相關的能量流過程，同時，考慮在無光極端條件下船用光伏系統應滿足的設計指標，從而保證系統運行的可靠性。設計步驟如下：

（1）對船舶航行海域的日照強度和環境溫度進行統計，通過式（1）—（3）得到時間內船用光伏系統的能量采集率；

（2）統計時間內船舶運行航速，得到推進電機的有效功率，并通過式（4）得到船用光伏系統的能量消耗率；

（3）根據系統的可靠性要求，在無光極端條件下電池組應滿足負載的用電需求，因此，電池組容量為

（5）

其中，表示連續無有效利用太陽能的時間，為電池組的放電深度。

（4）在綜合考慮3.4節提出的系統設計指標的基礎上，對船用光伏系統進行優化設計。通常，光伏發電系統設計的總體原則是在保證滿足負載供電需要的前提下，使得系統的經濟性最好。因此，本文以最小化太陽能板面積為優化目標，建立優化問題：

（6）

其中，表示船用光伏系統允許的能量中斷概率。式（6）為非線性凸優化問題，可以通過拉格朗日乘子法或者罰函數法進行求解。同樣地，根據不同的優化目標，結合系統綜合設計指標，能夠設計不同的優化方案。系統設計流程圖如圖3所示。

圖3.系統設計流程圖

五、結論

船用光伏系統的設計問題是在氣象數據和船只負載用電數據的基礎上，對系統中能量采集子系統和能量存儲子系統的容量進行優化設計。本文對系統中的能量特性進行分析，在此基礎上提出船用光伏系統的設計方法，充分考慮了風光互補系統運行中的動態和非線性特性，可以有效保證所設計系統的可靠性與魯棒性。

參考文獻：

[1]嚴新平.新能源在船舶上的應用進展及展望[J].船海工程,2010,39(6):111-115,120

[2]張金花.太陽能光伏發電系統容量計算分析[J].甘肅科技,2009,25(12):57-60

[3]陳立劍,徐建勇.太陽能光伏電力推進在船舶上的應用研究[J].船海工程,2013,42(2):160-164

[4]王長貴,王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].化學工業出版社.2005

[5]張旭,張鵬,余峰,等.光伏并網逆變器最大功率點跟蹤MPPT設計[J].船電技術,2013,33(11):62-64

[6]黃武林,張素榮.雙體船阻力的一種估算方法[J].船舶工程,1987,2(1):13-17